[论文解读] STAR: Simultaneous Transmission And Reflection for 360° Coverage by Intelligent Surfaces

Yuanwei Liu, Xidong Mu+5 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Mar 16, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新型RIS架构——同时发射与反射可重构智能表面（STAR-RIS），通过将入射信号分裂为透射波与反射波，实现360°无线覆盖。作者提出了三种工作协议——能量分割、模式切换和时隙切换，并通过数值结果证明，STAR-RIS在单播和多播场景下均优于传统RIS和全向表面，充分挖掘了透射与反射中的自由度优势。

ABSTRACT

A novel simultaneously transmitting and reflecting (STAR) system design relying on reconfigurable intelligent surfaces (RISs) is conceived. First, an existing prototype is reviewed and the potential benefits of STAR-RISs are discussed. Then, the key differences between conventional reflecting-only RISs and STAR-RISs are identified from the perspectives of hardware design, physics principles, and communication system design. Furthermore, the basic signal model of STAR-RISs is introduced, and three practical protocols are proposed for their operation, namely energy splitting, mode switching, and time switching. Based on the proposed protocols, a range of promising application scenarios are put forward for integrating STAR-RISs into next-generation wireless networks. By considering the downlink of a typical RIS-aided multiple-input single-output (MISO) system, numerical case studies are provided for revealing the superiority of STAR-RISs over other baselines, when employing the proposed protocols. Finally, several open research problems are discussed.

研究动机与目标

• 为解决传统仅反射型RIS空间覆盖受限的问题，提出一种新型RIS架构，实现全空间信号调控。
• 识别传统RIS与STAR-RIS在硬件设计、物理原理及系统级通信设计方面的关键差异。
• 为STAR-RIS开发实用的工作协议（能量分割、模式切换、时隙切换），以实现灵活高效的信号控制。
• 评估STAR-RIS在MISO下行链路系统中的性能，并与传统RIS和全向表面在单播与多播场景下进行比较。
• 指出STAR-RIS辅助网络在空间建模、信道估计与部署策略方面面临的主要开放研究挑战。

提出的方法

• 提出一种新型RIS架构——STAR-RIS，使入射信号可同时透过表面透射与反射，实现360°覆盖。
• 引入三种实用工作协议：能量分割（通过功率分配实现同时透射与反射）、模式切换（在透射与反射模式间动态切换）和时隙切换（在时隙中顺序运行）。
• 建立STAR-RIS的信号模型，考虑每个可重构单元的透射与反射系数，支持对两条链路的联合优化。
• 将所提协议应用于单用户单天线的下行MISO系统，通过优化波束成形与RIS系数，最大化频谱效率。
• 通过数值案例研究，在单播与多播场景下，对比STAR-RIS与传统RIS（仅反射）及全向表面（透射与反射系数相同）的性能。
• 采用随机几何与系统级仿真，分析不同协议与用户配置下的性能增益与权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重新配置RIS以实现同时透射与反射，从而实现全空间360°覆盖？
• RQ2 传统仅反射型RIS与STAR-RIS在硬件与物理层面的关键差异是什么？
• RQ3 在实际系统中，哪种工作协议——能量分割、模式切换或时隙切换——能最好地平衡频谱效率与导频开销？
• RQ4 在单播与多播场景下，STAR-RIS与传统RIS及全向表面在频谱效率方面有何差异？
• RQ5 在实际网络中部署STAR-RIS时，主要的开放挑战是什么，特别是在空间建模、信道估计与部署优化方面？

主要发现

• 由于能够充分挖掘透射与反射的自由度，STAR-RIS在单播与多播场景下均优于传统RIS与全向表面。
• 在单播场景下，STAR-RIS始终实现比传统RIS与全向表面更高的频谱效率，其中能量分割协议表现最佳，因其能同时利用两条链路。
• 在多播场景下，当RIS单元数M较小时，传统RIS优于时隙切换型STAR-RIS，但随着M增大，STAR-RIS凭借更优的自由度利用而超越传统RIS。
• 由于用户间干扰的缺失，全向表面在多播场景下的性能几乎与模式切换型STAR-RIS相当，但仍因波束成形灵活性降低而逊于能量分割型STAR-RIS。
• 数值结果证实，所提协议使STAR-RIS在高自由度（DoF）场景下实现了显著的频谱效率增益。
• 随着M增大，传统RIS与STAR-RIS之间的性能差距进一步扩大，凸显了大规模部署中全空间信号控制的优势。

(a) Reflecting-only RISs (biscuits placed on a metal plate)